CH683019A5 - Gas turbine arrangement. - Google Patents

Description

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CH 683 019 A5 CH 683 019 A5

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Beschreibung description

TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Gasturbinenanordnung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Bei einer derartigen Gasturbinenanordnung wird als Brennstoff eingesetztes Öl mit Luft zerstäubt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Brennstoffpumpe nur einen wenig über dem Brennkammerdruck liegenden Förderdruck abgeben muss, wodurch Verschleiss von Pumpe und Brenner gering gehalten werden können. Zudem können Brennstoffkanäle und Zerstäuberdüsen im Brenner gross gehalten werden und neigen kaum zum Verstopfen. The invention starts from a gas turbine arrangement according to the preamble of claim 1. In such a gas turbine arrangement, oil used as fuel is atomized with air. This has the advantage that the fuel pump only has to deliver a delivery pressure which is slightly above the combustion chamber pressure, as a result of which wear on the pump and burner can be kept low. In addition, fuel channels and atomizer nozzles in the burner can be kept large and hardly tend to clog.

STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART

Ein Brenner für eine Gasturbinenanordnung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus Kru-schik. Die Gasturbine, 2. Auflage, Springer-Verlag Wien 1960, insbesondere S. 348-350, bekannt. Der bekannte Brenner benötigt für die Zerstäuberluft einen eigenen Luftkompressor. Wird wie bei vielen Gasturbinenanordnungen üblich, die zur Brennstoffzerstäubung verwendete Zerstäuberluft nach dem Komprimieren im Verdichter der Gasturbine zunächst gekühlt und erst dann im zusätzlichen Luftkompressor auf höheren Druck gebracht, so kann der Luftkompressor vergleichsweise klein und kostengünstig ausgebildet sein. Zugleich wird erreicht, dass die Temperatur der Zerstäuberiuft niedrig gehalten wird, wodurch die Verkokungsgefahr des Ois (für Dieselöl beträgt die für die Verkokung kritische Temperatur etwa 180°C) gering bleibt. Die Bereitstellung geeigneter Zerstäuberluft verringert jedoch den Wirkungsgrad der Gasturbinenanordnung. A burner for a gas turbine arrangement of the type mentioned at the outset is made, for example, from Kru-schik. The gas turbine, 2nd edition, Springer-Verlag Vienna 1960, especially pp. 348-350, known. The known burner requires its own air compressor for the atomizing air. If, as is common with many gas turbine arrangements, the atomizing air used for atomizing fuel is first cooled after compression in the compressor of the gas turbine and only then brought to higher pressure in the additional air compressor, the air compressor can be designed to be comparatively small and inexpensive. At the same time it is achieved that the temperature of the atomizing air is kept low, whereby the risk of coking of the oil (for diesel oil the temperature critical for coking is about 180 ° C.) remains low. However, the provision of suitable atomizing air reduces the efficiency of the gas turbine arrangement.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION

Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 dargestellt ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der Wirkungsgradeinbussen aufgrund des Zerstäuberluftbedarfs gering gehalten sind. The invention, as shown in claim 1, is based on the object of specifying a gas turbine arrangement of the type mentioned, in which losses in efficiency due to the need for atomizing air are kept low.

Bei der Gasturbinenanordnung nach der Erfindung wird die Zerstäuberluft vor der abschliessenden Verdichtung im Hilfsverdichter mit Wasser gekühlt, welches danach zur Verminderung von NOx-Emissionen in den Brenner eingespritzt wird. Hierdurch wird ein grosser Teil der Enthalpie, die der Zerstäuberluft beim Kühlen entzogen wird, über das Wasser an die Gasturbinenanordnung zurückgeführt und dadurch der Wirkungsgrad der Gasturbinenanordnung nach der Erfindung verbessert. Zugleich kann die Gasturbinenanordnung nach der Erfindung nahezu problemlos mit Öl befeuert werden und sind unerwünschte Nox-Emissionen erheblich herabgesetzt. In the gas turbine arrangement according to the invention, the atomizing air is cooled with water in the auxiliary compressor before the final compression, which is then injected into the burner to reduce NOx emissions. As a result, a large part of the enthalpy which is extracted from the atomizing air during cooling is returned to the gas turbine arrangement via the water, and the efficiency of the gas turbine arrangement according to the invention is thereby improved. At the same time, the gas turbine arrangement according to the invention can be fired with oil almost without any problems and undesirable NOx emissions are considerably reduced.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG WAY OF CARRYING OUT THE INVENTION

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige The invention is explained below with reference to the drawing. The only one shows

Figur ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Gasturbinenanordnung nach der Erfindung. Figure is a block diagram of a preferred embodiment of the gas turbine arrangement according to the invention.

In der einzigen Figur bezeichnet 1 einen Verdichter, welcher über eine Welle 2 mit einer Gasturbine 3 gekoppelt ist. Im Verdichter 1 komprimierte Luft wird über eine Rohrleitung 4 an eine Verzweigung 5 geführt. Ein vergleichsweiser grosser Teilstrom der komprimierten Luft strömt von der Verzweigung 5 über eine Rohrleitung 6 zu einer die Gasturbine 3 mit Treibgas versorgenden Brennkammer 7 mit einem ölbefeuerten Brenner, ein vergleichsweise kleiner Teilstrom hingegen über eine Rohrleitung 8 und einen Wärmeaustauscher 9 zu einem als Gebläse ausgebildeten Hilfsverdichter 10. Der Ausgang des Hilfsverdichters versorgt über eine Rohrleitung 11 -und gegebenenfalls einen nicht dargestellten Windkessel Zerstäuberdüsen 12 der Brennkammer 7 mit Zerstäuberluft. In the single figure, 1 denotes a compressor which is coupled to a gas turbine 3 via a shaft 2. Air compressed in the compressor 1 is led via a pipeline 4 to a branch 5. A comparatively large partial flow of the compressed air flows from the branch 5 via a pipeline 6 to a combustion chamber 7 supplying the gas turbine 3 with propellant gas and an oil-fired burner, while a comparatively small partial flow flows via a pipeline 8 and a heat exchanger 9 to an auxiliary compressor designed as a blower 10. The outlet of the auxiliary compressor supplies atomizing nozzles 12 of the combustion chamber 7 with atomizing air via a pipeline 11 —and optionally a wind boiler (not shown).

Der Wärmeaustauscher 9 kann nach dem Gegenstromprinzip arbeiten. Er weist ein gasdichtes Gehäuse 13 und ein im Gehäuse 13 angeordnetes Rohrleitungssystem 14 auf. Das Gehäuse 13 ist an seinem linken Ende mit der Rohrleitung 8 und an seinem rechten Ende mit dem Hilfsverdichter 10 verbunden und begrenzt den Strömungsweg des über die Rohrleitung 8 zugeführten Teilluftstromes nach aussen. Die Rohre des Rohrleitungssystems 14 weisen vergleichsweise kleine Rohrdurchmesser auf und sind mit einem Eingangsteil 15 und einem Ausgangsteil 16 durch das Gehäuse 13 nach aussen geführt. Das Eingangsteil 15 ist mit einem de-mineralisiertes Wasser enthaltenden Vorratsbehälter The heat exchanger 9 can work according to the countercurrent principle. It has a gas-tight housing 13 and a piping system 14 arranged in the housing 13. The housing 13 is connected at its left end to the pipeline 8 and at its right end to the auxiliary compressor 10 and limits the flow path of the partial air flow supplied via the pipeline 8 to the outside. The pipes of the piping system 14 have comparatively small pipe diameters and are guided to the outside with an input part 15 and an output part 16 through the housing 13. The input part 15 is provided with a reservoir containing de-mineralized water

17 verbunden, das Ausgangsteil wirkt über eine Rohrleitung 18 auf die Brennkammer 7. 17 connected, the output part acts on the combustion chamber 7 via a pipeline 18.

Auf die Brennkammer 7 wirkt auch eine Rohrleitung 19, in welcher Öl aus einem Brennstofftank 20 zu den Zerstäuberdüsen 12 geführt wird. A pipeline 19 also acts on the combustion chamber 7, in which line oil is led from a fuel tank 20 to the atomizing nozzles 12.

Bei Betrieb dieser Gasturbinenanordnung tritt beispielsweise auf ca. 16 bar verdichtete und auf ca. 400°C erhitzte Luft am linken Ende in das Gehäuse 13 des Wärmeaustauschers 9 ein. Auf seinem Strömungsweg zum rechten Ende des Gehäuses 13 des Wärmetauschers 9 gibt es Wärme an das im Rohrleitungssystem 14 entgegenströmende Wasser ab und verlässt den Wärmeaustauscher mit einer Temperatur von ca. 50°C. Im nachgeschalteten Hilfsverdichter 10 wird die Luft auf ca. 20 bar verdichtet und dabei auf ca. 70°C erwärmt. Diese Luft wird als Zerstäuberluft an die Zerstäuberdüsen 12 der Brennkammer 7 geführt, wo sie das über die Rohrleitung 19 eingespeiste Öl in bekannter Weise - etwa entsprechend dem Stand der Technik nach Kruschik, beispielsweise gemäss Abb. 348, zerstäubt. Hierdurch ist wegen der vergleichsweise geringen Betriebsdrücke von Hilfsgebläse 10 und ÓI-zufuhr ein sicherer und verschleissfreier Betrieb der Brennkammer 7 sichergestellt. Wegen der vergleichsweise niedrigen Temperatur der Zerstäuberluft ist eine unerwünschte Verkokung des Öls nahezu ausgeschlossen. When this gas turbine arrangement is in operation, for example, air compressed to approximately 16 bar and heated to approximately 400 ° C. enters the housing 13 of the heat exchanger 9 at the left end. On its flow path to the right end of the housing 13 of the heat exchanger 9, heat is given off to the water flowing in the piping system 14 and leaves the heat exchanger at a temperature of approximately 50 ° C. In the downstream auxiliary compressor 10, the air is compressed to about 20 bar and heated to about 70 ° C. This air is fed as atomizing air to the atomizing nozzles 12 of the combustion chamber 7, where it atomizes the oil fed in via the pipeline 19 in a known manner - for example according to the state of the art according to Kruschik, for example according to Fig. 348. This ensures safe and wear-free operation of the combustion chamber 7 because of the comparatively low operating pressures of the auxiliary blower 10 and the oil supply. Because of the comparatively low temperature of the atomizing air, undesired coking of the oil is almost impossible.

Das im Wärmeaustauscher 9 durch Wärmeaufnahme erhitzte Wasser strömt über die Rohrleitung The water heated by heat absorption in the heat exchanger 9 flows through the pipeline

18 zur Brennkammer 7. Dort wird es etwa entsprechend einer in DE 4 033 710 AI beschriebenen 18 to the combustion chamber 7. There it is roughly described in DE 4 033 710 AI

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Brennkammer gegen die Strömung der über die Rohrleitung 6 zugeführten Verbrennungsluft in einen etwa als Wasserverdampfungsbüchse ausgebildeten Raum eingespritzt und verhindert so weitgehend die Bildung von NOx bei der Verbrennung des zerstäubten Öls in der Brennkammer 7. Die beim Durchströmen des Wärmeaustauschers 9 der Zerstäuberluft entzogene Enthalpie wird über das in die Brennkammer 7 eingespritzte Wasser in die Gasturbinenanordnung zurückgeführt und deren Wirkungsgrad auf diese Weise bei gleichzeitiger Verminderung des NOx-Ausstosses und hoher Betriebssicherheit der Ölbefeuerung wesentlich erhöht. Combustion chamber is injected against the flow of the combustion air supplied via the pipeline 6 into a space designed approximately as a water evaporation canister and thus largely prevents the formation of NOx during the combustion of the atomized oil in the combustion chamber 7. The enthalpy extracted from the atomizing air when flowing through the heat exchanger 9 is over the water injected into the combustion chamber 7 is fed back into the gas turbine arrangement and its efficiency is significantly increased in this way while simultaneously reducing the NOx emissions and high operational reliability of the oil firing.

Claims (2)

PatentansprücheClaims 1. Gasturbinenanordnung mit1. Gas turbine arrangement with - mindestens einer Gasturbine (3) mit einem Verdichter (1),- at least one gas turbine (3) with a compressor (1), - einer Brennkammer (7) mit mindestens einem öl-befeuerten Brenner und- A combustion chamber (7) with at least one oil-fired burner and - mindestens einem Hilfsverdichter (10) zur Kompression von Luft, welche zum Zerstäuben des Öls zu Zerstäuberdüsen (12) der Brennkammer (7) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmeaustauscher (9) vorgesehen ist mit einem zwischen den Verdichter (1) und den Hilfsverdichter (10) geschalteten ersten Strömungsweg, in dem die Zerstäuberluft als wärmeabgebendes Medium über den Wärmeaustauscher (9) geführt ist, und mit einem in die Brennkammer (7) einmündenden, über den Wärmeaustauscher (9) geführten zweiten Strömungsweg, in dem in die Brennkammer (7) einzuspritzendes Wasser als wärmeaufnehmendes Medium geführt ist.- At least one auxiliary compressor (10) for compressing air, which is led to atomizing nozzles (12) of the combustion chamber (7) for atomizing the oil, characterized in that at least one heat exchanger (9) is provided with a between the compressor (1) and the auxiliary compressor (10) connected first flow path, in which the atomizing air is passed as a heat-emitting medium via the heat exchanger (9), and with a second flow path leading into the combustion chamber (7) and via the heat exchanger (9), in which in the combustion chamber (7) water to be injected is guided as a heat-absorbing medium. 2. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungsweg von einem Gehäuse (13) des Wärmeaustauschers (9) und der zweite Strömungsweg von einem im Gehäuse (13) angeordneten und von der Zerstäuberluft umspülten Rohrleitungssystem (14) gebildet ist.2. Gas turbine arrangement according to claim 1, characterized in that the first flow path is formed by a housing (13) of the heat exchanger (9) and the second flow path is formed by a pipe system (14) arranged in the housing (13) and flushed by the atomizing air. 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 33rd